Pengaruh Dimensi, Arus Kritis, dan Jumlah Ring Terhadap Arus Gagal pada Superconducting Fault Current Limiter (Wisnu Ari Adi)

## PENDAHULUAN
Superconducting Fault Current Limiter ( SFCL ) merupakan pembatas arus gagal yang bekerja berdasarkan pada perubahan atau transisi fasa yang cepat dari keadaan superkonduktif ke keadaan resistif. Rangkaian SFCL model induktif pada dasarnya memiliki topologi transformator dengan lilitan primer terdiri dari gulungan kawat tembaga (Cu) dan lilitan sekunder berupa ring superkonduktor. Ring YBa 2 Cu 3 O 7-x ditumpuk sehingga menyerupai tabung dan selanjutnya disebut
tabung YBa 2 Cu 3 O 7-x . Jadi, SFCL adalah transformator dimana kumparan sekundernya dihubung-singkatkan. Tabung YBa 2 Cu 3 O 7-x tersebut direndam di dalam N 2 cair agar tabung YBa 2 Cu 3 O 7-x menampilkan fenomena superkonduktivitas. Oleh karena itu, bekerjanya SFCL ini bergantung pada suhu. Gambar 1 adalah penampang lintang SFCL model induktif. Pada saat ring bersifat superkonduktif, impedansi trafo nol (Z t = 0) dan saat ring normal, impedansi trafo tidak sama dengan nol

## PENGARUH DIMENSI, ARUS KRITIS, DAN JUMLAH RING

## TERHADAP ARUS GAGAL PADA SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER
Wisnu Ari Adi, Engkir Sukirman, Didin S. Winatapura, dan Yustinus P.
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
PENGARUH DIMENSI, ARUS KRITIS, DAN JUMLAH RING TERHADAPARUS GAGAL PADA SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER . Penelitian Superconducting Fault Current Limiter ( SFCL ) di Pustek Bahan Industri Nuklir telah dilakukan sejak tahun 2002. Mulai tahun 2003 hingga 2005, penelitian difokuskan pada upaya meningkatkan arus gagal dengan memperbesar dimensi trafo, meningkatkan arus kritis bahan, dan menambah jumlah ring . Pada tahun 2003 dapat dibuat SFCL skala laboratorium yang mampu membatasi arus gagal I F = 26 mA. SFCL semiprototipe baru bisa diwujudkan pada tahun 2004 dan pada tahun berikutnya dilakukan optimasi teoritis pada model SFCL semiprototipe tersebut. Pada SFCL semiprototipe mula-mula dipasang ring YBa 2 Cu 3 O 7-x yang memiliki arus kritis I c = 3,52 A, kemudian diganti dengan ring yang memiliki I c = 9,6 A. Demikian pula jumlah ring YBa 2 Cu 3 O 7-x , semula hanya satu, kemudian ditambah menjadi dua. Pengujian rangkaian SFCL dilengkapi dengan simulasi menggunakan software ANSYS versi 5.4. Hasil pengujian SFCL menunjukkan bahwa arus gagal meningkat menjadi sekitar 110 mA, 365mA dan 490 mA berturut-turut akibat peningkatan dimensi trafo, arus kritis dan jumlah ring. Arus gagal I F dapat ditingkatkan hingga 20 kali lebih tinggi dengan memperbesar dimensi trafo, meningkatkan arus kritis, dan menambah jumlah ring YBa 2 Cu 3 O 7-x .
Kata kunci : SFCL , dimensi trafo, arus kritis, jumlah ring , arus gagal

## ABSTRACT
EFFECT OF DIMENSION, CRITICAL CURRENT, AND AMOUNT OF RING ON THE FAULT CURRENT ON SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER . The Research of Superconducting Fault Current Limiter (SFCL) at Technology Center for Nuclear Industrial Materials has been performed since at 2002. Starting at 2003 till 2005, the research are focused on the effort improve the fault current by enlarging transformer dimension, improving critical current of materials, and add the amount rings. In the 2003 can be made a SFCL of scale lab capable to limit the fault current I F = 26 mA. New semi prototype SFCL just can be realized in at 2004 and next in the year performed the theoretical optimization at the semi prototype of SFCL model. The originally of semi prototype SFCL is attached the YBa 2 Cu 3 O 7-x ring with critical current I c = 3.52 A, and then changed by ring with I c = 9.6 A. Thus also sum up the ring YBa 2 Cu 3 O 7-x , from the beginning only one, and then added to become two. The examination of Network SFCL provided by the simulation use the software ANSYS version 5.4. The result of SFCL examination show that the fault current increase to become about 110, 365 and 490 mA, effect of enlarging the transformer dimension, increasing the critical current, and adding the amount of ring, respectively. The fault current I F can be improved till 20 higher times by enlarging transformer dimension, increasing the critical current, and add the amount of YBa 2 Cu 3 O 7-x ring.
Key words : SFCL, transformer dimension, critical current, amount of ring, fault current
ISSN : 1411-1098
(Z t 0). Berdasarkan fenomena ini maka SFCL tersebut dapat digunakan sebagai sistem pengaman ja ring an listrik [1-3].
Penelitian SFCL ini telah dilakukan sejak tahun 2002. Pada awalnya, penelitian ini dimaksudkan untuk membuktikan adanya fenomena arus gagal. Karena fenomena arus gagal terbukti ada, maka pada tahun 2003 penelitian dilanjutkan dengan membuat SFCL skala laboratorium. Medan magnet yang dibangkitkan oleh lilitan primer dan ring disimulasikan dengan software ANSYS versi 5.4. Hasil simulasi menunjukkan bahwa medan magnet induksi pada ring dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah ring . SFCL skala laboratorium diuji dengan memvariasikan tiga buah ring , dan hasil pengujian menunjukkan bahwa arus gagal I F pada rangkaian uji SFCL dengan 1 ring , 2 ring dan 3 ring berturut-turut adalah 26 mA, 41 mA dan 44 mA. Jadi arus gagal I F meningkat dengan bertambahnya jumlah ring [4-6]. Namun arus gagal yang diperoleh pada penelitian tahun 2003 ini masih rendah, sehingga diperlukan pengembangan lebih lanjut untuk meningkatkan arus gagal tersebut.
Berdasarkan teori [7], ada beberapa faktor untuk dapat memperbesar arus gagal tersebut, yaitu dengan meningkatkan rapat arus kritis bahan superkonduktor (I c ), menambah jumlah ring (N r ), mengurangi jumlah lilitan primer (N t ), dan ukuran dimensi trafo SFCL (G t ).
Selanjutnya pada tahun 2004, penelitian SFCL ini diarahkan pada upaya peningkatan dimensi trafo yang kemudian disebut dengan SFCL semiprototipe [8]. Dan pada tahun 2005, penelitian SFCL semiprototipe ini diarahkan pada upaya untuk optimasi SFCL semiprototipe melalui peningkatan arus kritis bahan dan penambahan jumlah ring [9]. Namun demikian, optimasi SFCL tersebut baru dilakukan dalam tataran teori dan modeling. Pada penelitian sekarang dicoba dilakukan eksperimen peningkatan batas arus gagal dengan meningkatkan arus kritis (I c ) dan menambah jumlah ring (N r ) pada SFCL semiprototipe.
Model SFCL yang telah dikembangkan oleh Zannella S. dan Cave, J.R. [10-11] seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dapat digunakan sebagai referensi untuk pengembangan SFCL semiprototipe.
Arus kritis (I c ) ditingkatkan dengan cara melakukan modifikasi bahan, yakni dengan memperkecil ukuran serbuk, dan selanjutnya dilakukan proses pelelehan ( melt textured growth ). Jumlah ring (N r ) ditambah menjadi dua buah, ditumpuk pada teras dijadikan sebagai lilitan sekunder. Besarnya peningkatan batas arus gagal yang dapat dicapai dan pembahasan tentang faktor-faktor yang dapat meningkatkan arus gagal pada SFCL dibahas dalam makalah ini. Jadi tujuan makalah ini adalah menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi peningkatan arus gagal pada Superconducting Fault Current Limiter (SFCL) .

## TEORI
Pada Gambar 2 ditunjukkan ilustrasi penampang lintang sebuah selenoid. Medan magnetik induksi yang dihasilkan pada pusat solenoid memenuhi persamaan :
} 2 2 ln{ 2 . . 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2 1 1 0 r h r r h r r r N I B r ......................... (1)
dimana, B = medan magnet induksi, m o = permeabilitas udara, m r = permeabilitas relatif, I 1 = arus primer, N 1 = jumlah lilitan primer, r 1 = jari-jari dalam lilitan primer, r 2 = jari-jari luar lilitan primer dan h = tinggi lilitan primer [6]. Medan magnet induksi pada lilitan primer pada persamaan (1) dapat disederhanakan menjadi :
t t F r t G N I B 0
.......................................................... (2)
Gambar 2. Penampang lintang solenoid [7].
Tabel 1 . Model SFCl yang dikembangkan oleh Zannella dan Cave
Zannella Cave FeSi inti besi Penampang inti besi, A (cm2) 3,24 Penampang inti besi, A (cm2) 5,7 Permeabilitas, r 400 Permeabilitas, r 70 Lilitan primer Jumlah lilitan, N 271 Jumlah lilitan, N 200 Tinggi lilitan, h (cm) 7,7 Tinggi lilitan, h (cm) 44 Diameter, D (cm) 5 Diameter, D (cm) 3.8 Resistansi pada 77 K, R ( ) 0,14 Resistansi pada 77 K, R ( ) 1,7 Ring superkonduktor Bahan Bi-2212 Bahan Bi-2212 Diameter ring , D (cm) 3,6 Diameter ring , D (cm) 2,8 Ketebalan (cm) 0,45 Ketebalan (cm) 0,3 Tinggi, h (cm) 10 Tinggi, h (cm) 4 x 5 J c pada 77 K (A.cm -2 ) 800 J c pada 77 K (A.cm -2 ) 500 Hasil pengujian Power fault (kVA) 0.5/3 Power fault (VA) 233 Fault current , I F (A) 10 Fault current , I F (A) 70
Pengaruh Dimensi, Arus Kritis, dan Jumlah Ring Terhadap Arus Gagal pada Superconducting Fault Current Limiter (Wisnu Ari Adi)
dimana, B t , I F , dan N t , berturut-turut adalah medan magnet induksi pada lilitan primer (trafo), arus gagal dan jumlah lilitan primer. Sedangkan G t adalah dimensi lilitan primer (trafo) yang besarnya memenuhi persamaan :
1 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2 } 2 2 ln{ 2 r h r r h r r r G t
Medan magnet induksi pada lilitan sekunder ( ring superkonduktor) pada persamaan (1) dapat disederhanakan menjadi :
r r c r r G N I
B 0
............................................. (3)
dimana B r , I c , N r , dan G r berturut-turut adalah medan magnet induksi pada ring , arus kritis bahan ring superkonduktor, jumlah ring dan dimensi ring . Syarat terjadinya fenomena superconducting fault current limiter adalah munculnya medan magnet induksi pada lilitan primer yang sama dengan induksi medan magnet induksi pada ring superkonduktor.
B t = B r ......................................................................... (4)
r r c t t F G N I G N I
.............................................................. (5)
r t t r c F G N G N I
I .............................................................. (6)
Tampak dari persamaan (6) bahwa besarnya arus gagal I F bergantung pada rapat arus kritis I c , jumlah ring N r , dimensi trafo G t baik teras maupun lilitan primer (parameter r 1 dan r 2 ), jumlah lilitan trafo N t , dan dimensi ring G r .
Simulasi SFCL Semiprototipe Dengan ANSYS 5.4
Abaqus (General Purpose Non Linear Finite Element Analysis), ADINA finite element system (Linear and Non Linear Mechanic), Algor (Finite Element Analysis for Mechanic), Amaze-3D (Finite Element Analysis for Electromagnetic) dan ANSYS ( General Purpose ) merupakan software-software simulasi yang sering digunakan untuk permodelan. Setiap software memiliki karakteristik tertentu dalam penggunaannya. Namun ANSYS dapat digunakan untuk berbagai aplikasi permodelan. Dan kelebihan lain dari ANSYS ini adalah pemakaiannya cukup sederhana, sehingga untuk simulasi SFCL semiprototipe ini digunakan software ini.
Gambar 3 ditunjukkan pemodelan dan hasil distribusi medan magnet baik lilitan primer maupun sekunder ( ring ) pada SFCL dengan
menggunakan metode finite elemen menggunakan software ANSYS 5.4 [12]. Skala permodelan rangkaian SFCL tersebut adalah 1 : 1, sehingga ukuran model sesuai dengan bentuk yang sebenarnya. Dengan memasukan arus I = I c = 13 A, N r = 1, m 0 = 4p x 10 -7 dan m r = 120, maka dapat disimulasikan besar dan arah fluks medan magnet yang ada di dalam inti besi dan ring superkonduktor.
Pada Gambar 4 dan Gambar 5 diperlihatkan pengaruh jumlah lilitan primer N t dan diameter kawat tembaga D Cu terhadap besarnya arus gagal I F .
Besar arus gagal I fault sebagai fungsi jumlah lilitan primer N t dan diameter kawat tembaga D Cu hasil simulasi diperlihatkan pada Tabel 2.

## METODE PERCOBAAN
Preparasi ring Superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7-x Bahan superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7-x dibuat dengan metode reaksi padatan dari percampuran
(a). Model lilitan primer.
(b). Model ring .
Gambar 3 . Permodelan rangkaian SFCL dengan menggunakan program ANSYS
(c) Kerapatan fluks pada lilitan primer.
(d) Kerapatan fluks pada ring .
Gambar 5 . Hubungan antara N t dan I F . Gambar 4 . Hubungan antara D Cu dan I F .
oksida-oksida penyusun, yaitu : Y 2 O 3 , BaCO 3 , dan CuO dengan perbandingan stokiometri unsur Y : Ba : Cu = 1 : 2 : 3. Teknik preparasi ring superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7-x dan karakterisasinya merujuk pada penelitian sebelumnya [13]. Untuk meningkatkan arus kritis I c bahan ini dilakukan proses milling atau penghalusan serbuk selama 5 jam dengan menggunakan Ball Mill di PTBIN BATAN [14]. Sedangkan pengukuran suhu transisi kritis T c dan rapat arus kritis J c sampel diukur menggunakan alat ukur V-I dengan metode Four Point Probe ( MFPP ) [15].

## Pengujian SFCL
Diagram skematik rangkaian uji SFCL diperlihatkan pada Gambar 6, dimana V s = tegangan sumber, I s = arus sumber, V t = tegangan trafo, Z t = Impedansi trafo, dan R L = hambatan beban. Karakterisasi SFCL dilakukan dengan menentukan hubungan antara arus sumber I s terhadap tegangan sumber V s .
Rangkaian tersebut diberi beban R L yang harganya bervariasi, dan dengan meningkatkan tegangan sumber V s secara perlahan-lahan, dicatat I s , V b , dan V t . Pengukuran pertama, ring superkonduktor berada pada lingkungan suhu kamar T = 300 K dan pada pengukuran kedua, ring superkonduktor berada pada lingkungan suhu nitrogen cair T = 77 K. Percobaan ini dilakukan di PTBIN – BATAN.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dimensi sampel ring ditunjukkan pada Tabel 3. Pada Tabel 3 tampak bahwa dimensi sampel ring (baik
ring 1 maupun ring 2) mengalami penyusutan ( shrinkage ). Setelah proses sinte ring penyusutan terjadi akibat proses difusi antar butir, sehingga rongga-rongga disekitar butir-butir tersebut berkurang dan geometri ring menjadi lebih kecil dari sebelumnya.
SFCL merupakan sebuah topologi transformator yang terdiri dari komponen inti besi FeSi model-E, yoke, leg, teras besi dan kumparan kawat Cu (lilitan primer) yang dililitkan pada sebuah koker, sedangkan ring YBa 2 Cu 3 O 7-x sebagai lilitan sekunder diletakkan di antara inti besi dan lilitan primer seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pada awalnya disain dimensi SFCL cukup kecil yang kemudian disebut SFCL skala laboratorium, kemudian ukurannya diperbesar yang selanjutnya disebut SFCL semiprototipe seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Pada Tabel 4 tampak semua komponen SFCL skala laboratorium baik teras besi, yoke, leg maupun lilitan primer diperbesar ukurannya. Berdasarkan teori pada persamaan (2) bahwa dimensi sampel berbanding lurus dengan jari-jari dalam lilitan primer (r 1 ), jari-jari luar lilitan primer (r 2 ) dan tinggi lilitan primer (h). Sehingga untuk memperbesar dimensi SFCL dapat digunakan trafo nomor 170 yang memiliki panjang teras 8,5 cm (inti besi terbesar yang ada di pasaran). Namun demikian, peningkatan dimensi trafo dan I c ring tidak bisa terus dilakukan karena harus mempertimbangkan selain teknis pembuatan juga faktor biaya produksi.
Pada Gambar 7 diperlihatkan hubungan antara V s dan I s dari rangkaian SFCL untuk ring 2 dengan rapat arus kritis I c sebesar 3,52 A yang diukur pada suhu nitrogen cair. Pada rangkaian tersebut diberikan beban sebesar 250 W. Tampak pada Gambar 7 ada dua garis fitting yang saling berpotongan. Ini berarti bahwa gradien kedua garis tersebut berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi perubahan impedansi total Z yang diukur pada rangkaian tersebut. Ordinat titik perpotongan kedua garis tersebut disebut batas arus gagal I F .
N o. D Cu (m m ) N (lilitan) I Fault (m A ) 1. 2. 3. 4. 5. 0,85 1,00 1,50 2,00 3,00 1647 1190 528 297 132 20 27 61 107 242
Tabel 3 . Spesifikasi hasil pembuatan sampel ring superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7-x .
Dimensi sampel (mm)
Setelah proses kalsinasi
Setelah proses sintering
Nama sampel
Diameter
dalam
Diameter
luar Tebal t Diameter dalam
Diameter luar Tebal t Keterangan
ring1 27,95 47,95 7,17 23,46 40,66 6,84 Skala lab. [6] ring2 67,10 94,10 6,40 57,40 80,90 5,50 Semiprototipe [8]
SFCL skala laboratorium [6] SFCL semiprototipe [10] Komponen Parameter Nilai (cm) Komponen Parameter Nilai (cm) Teras besi Bahan Panjang Lebar Tebal Permeabilitas FeSi 6,71 2,23 0,51 120 Teras besi Bahan Panjang Lebar Tebal Permeabilitas FeSi 13,60 3,00 1,23 120 Yoke Panjang Lebar Tebal 13,31 2,21 0,51 Yoke Panjang Lebar Tebal 17,00 2,20 1,23 Leg Panjang Lebar Tebal 6,71 2,22 0,51 Leg Panjang Lebar Tebal 13,60 1,50 1,23 Lilitan primer Bahan, Diameter kawat Jari-jari luar Jari-jari dalam Tinggi Jumlah lilitan Tembaga 0,05 3,35 2,6 5,5 1250 Lilitan primer Bahan, Diameter kawat Jari-jari luar Jari-jari dalam Tinggi Jumlah lilitan Tembaga 0,2 7,0 5,6 8,5
297
Tabel 4 . Spesifikasi trafo dan lilitan primer SFCL .
Pengaruh Dimensi, Arus Kritis, dan Jumlah Ring Terhadap Arus Gagal pada Superconducting Fault Current Limiter (Wisnu Ari Adi)
Tampak pada Gambar 7 bahwa kurva I s (V s ) terdiri dari 2 segmen garis, yakni daerah sebelum fault (SBF) dan daerah sesudah fault (SSF) yang masing-masing menggambarkan kondisi SFCL sebagai fungsi tegangan sumber V s . Segmen SBF adalah kondisi SFCL dalam keadaan normal, artinya SFCL tidak membebani rangkaian uji. Fitting dengan Microsoft Excel pada garis SBF diperoleh persamaan linear I s = 0,004 V s dengan koefisien arah persamaan tersebut adalah. Oleh karena itu impedansi total rangkaian uji adalah Z = 250 W. Dari hubungan Z » R L +Z t , dimana 250 W, maka didapat impedansi SFCL , yakni Z t » Z T -R L = 0.
Jadi terbukti bahwa pada keadaan normal, SFCL tidak membebani rangkaian uji. Segmen SSF menggambarkan SFCL dalam keadaan membebani rangkaian uji. Fitting dengan Microsoft Excel pada segmen SSF diperoleh persamaan linear : I s = 0,0035V s + 0,0138. Koefisien arah persamaan tersebut adalah. Jadi, impedansi total rangkaian uji adalah Z T = 286 W. Dari hubungan Z T » R L + Z t , dimana R L = 250 W, maka didapat impedansi SFCL , yakni Z t » Z T - R L = 36 W. Hal ini menunjukkan pada rangkaian SFCL tersebut telah terjadi penambahan beban sebesar 36 W [10]. Transisi SFCL dari keadaan normal ke keadaan terbebani, terjadi pada arus I s »110 mA. Dengan kata lain, arus gagal yang dapat dibatasi oleh SFCL ini adalah I F » 110 mA. Pada SFCL skala laboratorium [5,6] diperoleh batas arus gagal I F sekitar 26 mA, dan pada SFCL semiprototipe [10] diperoleh batas arus gagal I F sekitar 110 mA. Jadi tampak adanya peningkatan batas arus gagal lima ratus prosen lebih tinggi (satu orde lebih tinggi). Hasil ini sesuai dengan teori pada persamaan (6) dan sesuai pula dengan hasil simulasi ANSYS seperti pada Gambar 4, Gambar 5, dan Tabel 1. Berdasarkan hasil simulasi untuk SFCL semiprototipe diperoleh IF sebesar 120 mA. Perbedaan ini disebabkan oleh faktor induktansi bocor akibat adanya rongga antara inti besi dengan ring . Jadi faktor penyebab meningkatnya arus gagal adalah akibat meningkatnya dimensi trafo SFCL (G t ) dan berkurangnya jumlah lilitan primer (N t ) dari 1250 lilitan menjadi 297. Pengurangan jumlah lilitan primer (N t ) ini dilakukan dengan cara memperbesar diameter kawat tembaga (Cu) dari 0,5 mm menjadi 2 mm sehingga diharapkan arus yang mengalir pada lilitan primer semakin besar. Pada dasarnya tujuan pembesaran
dimensi trafo dan pengurangan jumlah lilitan primer ini adalah untuk memperoleh medan magnet induksi di dalam inti besi sekecil mungkin dengan masukan arus primer sebesar mungkin. Sehingga arus induksi yang dibangkitkan pada ring cukup kecil, sedemikian sehingga arus induksi I i lebih kecil dari arus kritis I c ring (I i < I c ). Dengan demikian superkonduktifitas ring tetap terjaga walaupun arus masukan pada lilitan primer cukup besar. Dengan kata lain arus induksi tersebut tidak merusak superkonduktifitas ring . Apabila arus induksi I i lebih besar dari pada arus kritis I c , maka superkonduktifitas ring hilang. Oleh karena itu ring berubah sifat menjadi resistif, akibatnya fluks magnetik pada teras besi tidak terhapuskan sehingga impedansi trafo Z t 0. Disinilah letak fenomena arus gagal mulai terjadi.
Gambar 8 dan Gambar 9 adalah kurva hubungan antara tegangan dan arus. Tampak tegangan tetap nol, walaupun arus dinaikkan. Namun demikian, jika arus terus diperbesar maka akan dijumpai suatu harga arus tertentu dimana tegangan mulai terdeteksi (V 0). Keadaan kritis ini menunjukkan adanya perubahan perilaku bahan yang semula bahan tersebut memiliki resistansi nol (superconductive state) berubah menjadi non superkonduksi (resistive state). Arus pada mana tegangan mulai terdeteksi (V 0) disebut arus kritis I c .
Pada Gambar 8 ditunjukkan bahwa arus kritis (I c ) ring 2 tampak jauh lebih tinggi dibandingkan dengan I c ring 1 (Gambar 9). Hal ini disebabkan prekusor serbuk ring 2 lebih halus dibandingkan dengan ring 1. Penghalusan serbuk ini bertujuan untuk memperbesar luas permukaan kontak antar butir, sehingga dapat mengurangi void dan mempermudah proses difusi pada saat sinte ring . Dengan penghalusan ini diperoleh dua manfaat, yakni meningkatkan rapat arus kritis bahan dan
Gambar 7 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semi prototipe dengan sebuah ring2 beban R L = 250 W
Gambar 8 . Kurva V – I dari ring1 [5].
Gambar 9 . Kurva V-I dari ring2 .
mempermudah proses pembuatan ring . Sebab dengan menggunakan teknik kompaksi, semakin besar dimensi ring kecenderungan untuk retak dan patah semakin tinggi.
Faktor lain yang dapat yang mempengaruhi peningkatan arus gagal ini adalah arus kritis I c . Pada Gambar 10 diperlihatkan hasil pengukuran V s dan I s dari rangkaian SFCL untuk ring 2 dengan arus kritis I c = 9,6 A yang diukur pada suhu nitrogen cair. Pada rangkaian tersebut diberikan beban sebesar 70 W, 201 W, dan 312 W. Data perubahan impedansi total Z pada rangkaian ini ditunjukkan pada Tabel 5 [16].
Gambar 10, Gambar 11 dan Gambar 12 menunjukkan bahwa batas arus gagal I F meningkat menjadi sekitar 360 hingga 365 mA dari harga semula I F » 110 mA. Hasil ini sesuai dengan teori pada persamaan (6), bahwa salah satu faktor untuk meningkatkan arus gagal adalah dengan meningkatkan rapat arus kritis bahan superkonduktor (I c ). Dengan I c besar maka kemampuan ring untuk mempertahankan superkonduktifitasnya juga besar. Pada Gambar 10,
Gambar 11 dan Gambar 12 ditunjukkan bahwa variasi beban tidak mepengaruhi arus gagal. Hal ini berarti bahwa SFCL ini dapat digunakan pada rangkaian- rangkaian dengan beban bervariasi.
Pada Gambar 13 diperlihatkan hubungan antara V s dan I s dari SFCL yang memiliki dua buah ring 2 dengan rapat arus kritis I c = 9,6 A dan diukur pada suhu nitrogen cair. Rangkaian SFCL tersebut diberi beban R L = 91 W, 170 W, dan 312 W. Data perubahan impedansi total Z pada rangkaian ini ditunjukkan pada Tabel 6 [14].
Pada Gambar 13, Gambar 14 dan Gambar 15 ditunjukkan bahwa batas arus gagal I F meningkat menjadi sekitar 460 hingga 490 mA, dari harga semula I F » 360 – 365 mA. Hasil ini sesuai dengan teori pada persamaan (6), bahwa salah satu faktor untuk meningkatkan arus gagal adalah dengan menambah
Gambar 10 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semiprototipe dengan 1 buah ring2 dan beban R L = 70 W.
Gambar 11 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semiprototipe dengan 1 buah ring2 dan beban R L = 201 W.
Gambar 14 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semiprototipe dengan 1 buah ring2 dan beban R L = 170 W.
Tabel 5 . Data impedansi Z pada SFCL dengan 1 buah ring2 (Ic = 9,6 A).
Kondisi sebelum fault Kondisi sesudah fault Beban ( ) Fitting Z ( ) Fitting Z ( ) 70 201 312 I s = 0,0144 V s I s = 0,005 V s I s = 0,0032 V s 69,4 200,0 312,5 I s = 0,013 V s + 0,035 I s = 0,0043 V s + 0,049 I s = 0,0027 V s + 0,0527 76,9 232,6 370,4 Gambar 12 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semiprototipe dengan 1 buah ring2 dan beban R L = 312 W.
Gambar 13 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semiprototipe dengan 2 buah ring2 dan beban R L = 91 W.
Pengaruh Dimensi, Arus Kritis, dan Jumlah Ring Terhadap Arus Gagal pada Superconducting Fault Current Limiter (Wisnu Ari Adi)
jumlah ring N r . Dengan bertambahnya jumlah ring , maka medan magnet yang dibangkitkan oleh arus induksi pada ring meningkat. Sehingga fluks mangetik yang dibangkitkan oleh ring juga meningkat. Akibatnya fluks magnetik baik yang dibangkitkan oleh lilitan primer maupun oleh ring , juga meningkat. Itu berarti bahwa kemampuan pembatasan arus gagal meningkat. Di dalam SFCL , kedua fluks magnetik tersebut saling menghilangkan.

## KESIMPULAN
Penelitian dan pengembangan Superconducting Fault Current Limiter ( SFCL ) di Pustek Bahan Industri Nuklir, BATAN telah sampai pada tahap semiprototipe. Arus gagal ( fault current ) pada SFCL dapat ditingkatkan dengan memperbesar dimensi trafo, meninggikan arus kritis, dan menambah jumlah ring . Jadi ada tiga faktor penting untuk meningkatkan batas arus gagal. Ketiga faktor tersebut ketika diterapkan pada SFCL semiprototipe, dapat meningkatkan arus gagal hingga 20 kali lebih tinggi dibandingkan dengan arus gagal pada SFCL skala laboratorium. Namun arus gagal SFCL semiprototipe ini masih relatif rendah dibandingkan dengan arus gagal SFCL yang dihasilkan oleh Zannella dan Cave. Penyebab utamanya adalah rendahnya rapat arus kritis J c ring superkonduktor yang dihasilkan, yaitu sekitar 90A.cm -2 hingga 100 A.cm -2 , sedangkan Zannella dan Cave memiliki J c sekitar 500 A.cm -2 hingga 800 A.cm -2 .

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Kepala Pustek Bahan Industri Nuklir, Kepala Bidang
Karakterisasi dan Analisis Nuklir, Riswal H. Siregar, S.Si. staf dari PRPN, dan semua pihak yang turut berpartisipasi dalam penelitian ini.

## DAFTAR ACUAN
[1]. MATSUMURA, T., SHIMIZU, H., YOKOMIZU Y., IEEE Transactions On AppIlied Superconductivity, 11 (1) (2001) 1956-1963
[2]. NAGATA, M., TANAKA, K., TANIGUCHI H., IEEE Transactions On AppIlied Superconductivity, 11 (1) (2001) 2489-2494 [3]. SATOH, T., YAMAGUCHI, M., FUKUI, S., MORIKOSHI, K., KAIHO, K., SHIMIZU, H., MURAYAMA N., IEEE Transactions On AppIlied Superconductivity, 11 (1) (2001) 2398-2405
[4]. YEW, W., EVANS, P. D., IEEE Transactions On AppIlied Superconductivity, 11 (1) (2001) 2495-2498
[5]. ENGKIR SUKIRMAN, WISNUARIADI, DIDIN S. WINATAPURA, RISWAL H. SIREGAR, Pembuatan dan Karakterisasi Superconducting Fault Current Limiter Skala Laboratorium,
Prosiding Seminar Nasional Penelitian Pengelolaan Perangkat Nuklir (P3N) , Yogyakarta, 23-24 Oktober (2003) 63-67
[6]. WISNUARIADI, ENGKIR SUKIRMAN, DIDIN S. WINATAPURA, YUSTINUS P., Pengaruh Medan Magnet Induksi terhadap Pembatasan Arus pada Superconducting Fault Current Limiter Skala Laboratorium, Prosiding Pertemuan Ilmiah Iptek Bahan ‘04 , 7 September (2004) 411-418
[7]. SMYTHE, WR., Static and Dinamic Electricity , McGraw-Hill, NewYork, (1950) 266
[8]. E. SUKIRMAN, WISNU ARI ADI, DIDIN S. WINATAPURA dan YUSTINUS P., Jurnal Sains Materi Indonesia , 7 (1) (2005)
[9]. ENGKIR SUKIRMAN, WISNUARIADI, DIDIN S. WINATAPURA dan YUSTINUS P., Optimalisasi SFCL semiprototipe , sedang dalam proses penerbitan di Jurnal Sains Materi Indonesia , (2005)
[10]. ZANNELLA, S., JANSAK, L. and DODANIO, P., Cryogenics, 37 (1997) 667-670
[11]. CAVE, J.R., WILLEN, W.A., BRISSETTE, Y., RICHER, C., IEEE Transactions On Magnetics,
30 (4) (1994) 1895-1898
[12]. MOAVENI, S., Finite Element Analysis , Theory and Application with ANSYS , Prentice Hall , Upper Saddle River , New Jersey ,
(1999)
[13]. WISNUARIADI, ENGKIR SUKIRMAN, DIDIN S. WINATAPURA dan YUSTINUS P., Jurnal Sains Materi Indonesia , 5 (2) (2004)
[14]. AKMAL JOHAN, RIDWAN, AZWAR MANAF dan WISNU ARI ADI, Jurnal Sains Materi Indonesia , 7 (1) (2005)
Gambar 15 . Hubungan V s dan I s pada SFCL semiprototipe dengan 2 buah ring 2 dan beban R L = 312 W.
Tabel 6 . Data impedansi Z dari SFCL dengan 2 buah ring 2 (I c = 9,6 A).
Kondisi sebelum fault Kondisi sesudah fault Beban ( ) Fitting Z ( ) Fitting Z ( ) 91 170 312 I s = 0,011 V s I s = 0,0059 V s I s = 0,0032 V s 90,9 169,5 312,5 I s = 0,0099 V s + 0,049 I s = 0,0049 V s + 0,0781 I s = 0,0023 V s + 0,137 101,0 204,1 434,8
[15]. WISNUARIADI, ENGKIR SUKIRMAN, DIDIN S. WINATAPURA dan GRACE TJ. SULUNGBUDI,
Majalah BATAN , XXXIV (1/2) (2001) 15-30 [16]. WISNUARIADI, ENGKIR SUKIRMAN, DIDIN S.
WINATAPURA, YUSTINUS M. P. dan RISWAL H. SIREGAR, Jurnal Sains Materi Indonesia ,
5 (3) (2004)